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MOS管的作用及工作原理-ASIM阿赛姆
2025.09.10 00:00:00
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MOS管的核心作用与工作原理
1. 三大核心作用
| 作用类型 | 实现机制 | 典型应用场景 | 参数依据 |
|---|---|---|---|
| 电子开关 | 栅压控制沟道通断 | 电源管理/负载开关 | Rds(on)低至0.8mΩ（如M010N10T） |
| 信号放大 | Vgs微变→Id巨变（gm跨导效应） | 射频功放 | gm=2S@Vds=10V（2SK3018） |
| 阻抗变换 | 输入阻抗>10¹²Ω/输出阻抗<1Ω | 缓冲驱动级 | Ciss=35pF（AM20DP041T） |
二、结构解剖与载流子运动
2.1 四层物理结构
栅极(G)━━━━━━━━┐ │ ┌──────┘ ↓ SiO₂绝缘层（厚度tox=10-100nm） ↓ P型衬底 ━━━[N+源极(S)]━━━━[N-沟道]━━━━[N+漏极(D)]
关键尺寸（据M120N06JC文档）：
- 沟道长度L=0.6μm
- 沟道宽度W=20000μm
2.2 N-MOS导通原理
电子运动轨迹：
- Vgs > Vth（阈值电压） → 栅极正电压吸引电子
- P型衬底表面形成反型层（N型沟道）
- 电子从S极经沟道流向D极
公式验证：
Id = μₙCₒₓ(W/L)[(Vgs-Vth)Vds - 0.5Vds²] （线性区）
实测数据（2N7002K）：
Vgs=4.5V时，Id=1.2A（计算误差<3%）
三、工作区特性与边界条件
3.1 三区划分标准
| 工作区 | 判定条件 | 电流特性 |
|---|---|---|
| 截止区 | Vgs < Vth | Id < 1μA |
| 线性区 | Vgs > Vth 且 Vds < Vod | Id ∝ Vds |
| 饱和区 | Vgs > Vth 且 Vds ≥ Vod | Id = 恒定值 |
注：Vod = Vgs - Vth（过驱动电压）
3.2 输出特性曲线
数据来源：M03N12P
- A点（Vgs=2V）：截止区（Id=10nA）
- B点（Vgs=4V, Vds=1V）：线性区（Rds=25mΩ）
- C点（Vgs=4V, Vds=3V）：饱和区（Id=12A）
四、关键参数工程意义
4.1 静态参数
| 参数 | 定义式 | 设计影响 | 典型值范围 |
|---|---|---|---|
| 阈值电压Vth | Id=250μA时的Vgs | 驱动电路兼容性 | 0.7V~4V |
| 导通电阻Rds(on) | Vgs=10V时的D-S电阻 | 导通损耗 | 0.8mΩ~10Ω |
| 跨导gm | ΔId/ΔVgs @恒定Vds | 放大增益 | 0.1~20S |
4.2 动态参数
| 参数 | 测试条件 | 开关性能影响 |
|---|---|---|
| 输入电容Ciss | Vds=25V, f=1MHz | 驱动功率需求 |
| 栅漏电荷Qgd | Id=0.5A, Vds=30V | 米勒平台时长 |
| 反向恢复时间trr | If=1A, di/dt=100A/μs | 体二极管开关损耗 |
五、失效机制与安全边界
5.1 雪崩击穿防护
雪崩能量公式：
Eas = 0.5 × L × Ias²
案例：SCD30PNP标称Eas=150mJ
设计准则：实际电路Eas需求 < 80%标称值
5.2 热失控预防
稳定条件：
∂P_loss/∂Tj < ∂P_diss/∂Tj P_loss = Id² × Rds(on)(Tj) P_diss = (Tj - Ta)/RθJA
临界点计算：TO-220封装Id_max=60A@Ta=85℃（参考M060N03YB文档）
六、选型速查表（应用场景导向）
| 应用场景 | 核心参数优先级 | 推荐系列 |
|---|---|---|
| 5V逻辑开关 | Vth<1.5V, Rds(on)@4.5V | AO3400/AO3416 |
| 48V电池保护 | Vds>60V, Eas>100mJ | CSD18540/IRL1004 |
| 高频同步整流 | Qgd<10nC, trr<30ns | IPD90N03S4/BSC014N03 |
| 汽车电子 | AEC-Q101认证, Tj=175℃ | BSC096N10NS5 |
附录：工作区判定流程图
上一条
